Studie: Wasserstoffbasierte Brennstoffe sind falsches Versprechen

Wasserstoffbasierte Brennstoffe sollte man vor allem in Sektoren wie der Luftfahrt oder industriellen Prozessen einsetzen, die man nicht elektrifizieren kann. Ihre Herstellung ist zu ineffizient, zu kostspielig, und ihre Verfügbarkeit zu unsicher. Somit können sie fossile Brennstoffe nicht auf breiter Front ersetzen – etwa in Autos oder beim Heizen von Gebäuden. Das zeigt eine neue Studie vom Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK). Für die meisten Sektoren ist die direkte Nutzung von Elektrizität wirtschaftlich sinnvoller. Setzt man in erster Linie auf Brennstoffe auf Wasserstoffbasis statt Elektrifizierung und behält Verbrennungstechnologien bei, könnte eine Verlängerung der Abhängigkeit von fossilen Energien drohen.

„Wasserstoffbasierte Brennstoffe sind ein beeindruckend vielseitiger Energieträger – doch beeindruckend sind auch ihre Kosten und die damit verbundenen Risiken“, sagt Falko Ueckerdt vom PIK, Leitautor der Studie. „Solche Brennstoffe als universelle Klimalösung sind ein bisschen ein falsches Versprechen. Es ist nicht zu erwarten, dass sie fossile Brennstoffe auf breiter Front ersetzen können. Das gelingt nur mit direkter Elektrifizierung. Wasserstoffbasierte Kraftstoffe werden wahrscheinlich für mindestens ein weiteres Jahrzehnt sehr knapp und nicht wettbewerbsfähig sein.“

Ueckerdt weiter: „Auf ihren großflächigen Einsatz zu setzen, könnte letztlich sogar die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verlängern. Wenn wir an Verbrennungstechnologien festhalten – in der Hoffnung, sie mit wasserstoffbasierten Brennstoffen weiter betreiben zu können – und sich dann die neuen Brennstoffe als zu teuer und knapp erweisen, müssen wir am Ende weiter auf Öl und Gas zurückgreifen. Das gefährdet die kurzfristigen und langfristigen Klimaziele.“

Priorisierung auf Anwendungen wie Luftfahrt und Stahlproduktion

„Wir sollten daher die wertvollen wasserstoffbasierten Brennstoffe prioritär für diejenigen Anwendungen einsetzen, für die sie unverzichtbar sind. Die Langstreckenflüge, Teile der chemischen Produktion, Stahlerzeugung und möglicherweise einige industrielle Hochtemperaturprozesse“, sagt Ueckerdt. „Das sind Sektoren und Anwendungen, die wir kaum direkt elektrifizieren können.“ Die Forscher identifizieren eine sogenannte „Merit-Order des Wasserstoff- und E-Fuel-Bedarfs“: eine Priorisierung, wo man diese neuen Brennstoffe vor allem einsetzen sollte.

Sogenannter grüner Wasserstoff entsteht in einem Prozess namens Elektrolyse. Um die stabilen Wassermoleküle H₂O in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, benötogt man viel Strom. Den Wasserstoff kann man dann zur Synthese von Kohlenwasserstoffen verwenden, indem man Kohlenstoff aus CO₂ hinzufügt. Die dabei entstehenden mit Elektrizität erzeugten Brenn- und Kraftstoffe oder E-Fuels sind einfacher zu speichern und zu transportieren als Strom oder reiner Wasserstoff. „Entscheidend ist, dass diese Brennstoffe in konventionellen Verbrennungsprozessen und Motoren genutzt werden können und somit fossile Brennstoffe direkt ersetzen“, sagt Gunnar Luderer, Ko-Autor der Studie. „Angesichts ihrer begrenzten Verfügbarkeit wäre es jedoch falsch zu glauben, dass fossile Brennstoffe auf diese Weise vollständig ersetzt werden können.“

Mit E-Fuels verbraucht ein Pkw fünfmal mehr Energie als ein Elektroauto

„Wir sind derzeit weit entfernt von 100 Prozent Strom aus erneuerbaren Quellen – daher ist eine effiziente Nutzung dieser sauberen Energie wichtig. Wenn wir jedoch wasserstoffbasierte Kraftstoffe anstelle von direkter Elektrifizierung verwenden, benötogen wir je nach Anwendung und den jeweiligen Technologien die zwei- bis vierzehnfache Menge an Strom“, sagt Ko-Autor Romain Sacchi vom Paul Scherrer Institut. „Effizienzverluste entstehen sowohl in den Produktionsprozessen der wasserstoffbasierten Kraftstoffe, als auch bei deren Verbrauch – ein Verbrennungsmotor verschwendet viel mehr Energie als ein elektrischer.“

Wenn man wasserstoffbasierte Brennstoffe mit dem aktuellen Strom-Mix erzeugt, würden sie die Treibhausgasemissionen leider erhöhen – und nicht senken. „Beim deutschen Strom-Mix des Jahres 2018 würde die Verwendung von wasserstoffbasierten Kraftstoffen in Autos, Lastwagen oder Flugzeugen etwa drei- bis viermal mehr Ausstoß von Treibhausgasen verursachen als die Verwendung fossiler Kraftstoffe“, so Sacchi. Im Gegensatz dazu verursachen Elektro-Autos oder strombetriebene Lastwagen Treibhausgas-Emissionen, die in den meisten Ländern bereits mit dem heutigen Strom-Mix vergleichbar oder geringer sind als die von Diesel- oder Benzinfahrzeugen. Das zeigen die Forscher auf Basis einer Lebenszyklus-Analyse, die auch die mit der Batterieproduktion verbundenen Emissionen einbezieht.

„Nur für wirklich erneuerbare Stromsysteme werden wasserstoffbasierte Kraftstoffe zu einem effektiven Mittel, um zur Stabilisierung unseres Klimas beizutragen“, sagt Ko-Autor Jordan Everall. „Wasserstoffbasierte Kraftstoffe erfordern also ganz klar den Aufbau zusätzlicher Anlagen erneuerbarer Energieerzeugung.“

Die CO₂-Vermeidungskosten bei rund 1000 Euro pro Tonne

Selbst wenn man von 100 Prozent erneuerbarem Strom ausgeht, lägen die Kosten für die Vermeidung einer Tonne CO₂ durch wasserstoffbasierte Kraftstoffe derzeit bei 800 Euro für flüssige und 1200 Euro für gasförmige Brennstoffe, errechneten die Forscher. Das ist deutlich höher als die aktuellen CO₂-Preise etwa im europäischen Emissionshandelssystem, die bei knapp 50 Euro pro Tonne liegen. Mit technologischem Fortschritt – getrieben durch eine ansteigende Bepreisung von CO₂-Emissionen, durch massive Subventionen sowie durch Investitionen in Wasserstoff und verwandte Industrien – könnten diese CO₂-Vermeidungskosten bis 2050 auf etwa 20 Euro für flüssige und 270 Euro für gasförmige Brennstoffe sinken.

Deshalb könnten wasserstoffbasierte Brennstoffe bei steigenden CO₂-Preisen wahrscheinlich bis 2040 kostenmäßig wettbewerbsfähig sein. Angesichts der Dringlichkeit der Reduzierung von Treibhausgasemissionen zur Stabilisierung unseres Klimas wäre 2040 jedoch zu spät für all jene Sektoren, in denen eine direkte Elektrifizierung möglich ist.

Wasserstoffbasierte Brennstoffe wettbewerbsfähig machen

„Trotz der Ungewissheit über die zukünftigen Kosten haben wasserstoffbasierte Brennstoffe das Potenzial, eine Technologie zur Absicherung für den Ersatz der um 2040 bis 50 noch verbleibenden fossilen Kraftstoffe zu werden. Die Verwirklichung hängt jedoch von der groß angelegten politischen Unterstützung ab, und zwar für etwa zwei Jahrzehnte, bevor Geschäftsmodelle allein durch die steigenden CO₂-Preise gesichert werden könnten“, sagt Falko Ueckerdt. „Eine politische Gesamtstrategie könnte auf zwei Säulen ruhen: Erstens auf einer breiten Unterstützung von Technologien, einschließlich der direkten Elektrifizierung, um Innovationen und erste Wachstumsschritte zu fördern. Zweitens auf einer substanziellen Bepreisung von CO₂ und eine Energiesteuerreform, die zusammen gleiche Wettbewerbs-Bedingungen für alle Technologien schaffen – und damit eine vernünftige Balance zwischen direkter und indirekter Elektrifizierung.“

„Die langfristige Vision von wasserstoffbasierten Brennstoffen ist vielversprechend“, sagt Gunnar Luderer. Durch die Nutzung des riesigen Potenzials von Windkraft und Sonnenenergie im globalen Sonnengürtel in den Ländern des Südens könne man wasserstoffbasierte Brennstoffe global handeln und so Engpässe bei den erneuerbaren Energien in dicht besiedelten Ländern wie Japan oder in Europa beheben. „Da die internationalen und nationalen Klimaziele jedoch sofortige Emissionsreduktionen erfordern, sollte heute die direkte Elektrifizierung an erster Stelle stehen, um eine sichere Zukunft für alle zu gewährleisten“, so Luderer.

7.5.2021 | Quelle: PIK | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH